Исследователи Массачусетского технологического института разрабатывают новые добавки для «зеленого» бетона

Исследователи из Массачусетского технологического института открывают новые способы изготовления бетона, которые будут выделять меньше углекислого газа в атмосферу.

К

Опубликовано

Бетон является вторым наиболее потребляемым материалом в мире. Вода на первом месте. Это также краеугольный камень современной инфраструктуры. Он используется для строительства дорог, мостов, зданий и всего остального, что должно быть прочным и долговечным. Но есть и обратная сторона. При производстве бетона выделяется большое количество углекислого газа как в качестве химического побочного продукта производства цемента, так и в виде энергии, необходимой для подпитки этих реакций. Ежегодно около 8% мировых выбросов углерода связано с производством цемента и бетона.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института сообщает, что они открыли новые материалы, которые значительно сокращают выбросы углерода в результате традиционных процессов производства бетона, не изменяя при этом механические свойства бетона. Их результаты были опубликованы 28 марта в журнале PNAS Nexus в статье с запоминающимся названием «Цементирование CO2 в CSH: шаг к конкретной углеродной нейтральности». Авторы — профессора гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Адмир Масич и Франц-Йозеф Ульм, постдокторант Массачусетского технологического института Дамиан Стефанюк и докторант Марцин Хайдучек. Джеймс Уивер из Института Висса Гарвардского университета также внес свой вклад.

Примерно половина выбросов, связанных с производством цемента, происходит в результате сжигания ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ, которое используется для нагрева смеси известняка и глины, которая в конечном итоге превращается в знакомый серый порошок, известный как обычный портландцемент (ОПЦ). . Хотя энергия, необходимая для этого процесса нагрева, в конечном итоге может быть заменена электроэнергией, вырабатываемой из возобновляемых солнечных или ветровых источников, другая половина выбросов присуща самому материалу. Когда минеральная смесь нагревается до температуры выше 1400 градусов по Цельсию (2552 градуса по Фаренгейту), она подвергается химическому превращению из карбоната кальция и глины в смесь клинкера (состоящего в основном из силикатов кальция) и диоксида углерода, который затем высвобождается в воздух.

В пресс-релизе исследователи Массачусетского технологического института говорят, что когда OPC смешивается с водой, песком и гравийным материалом во время производства бетона, он становится сильно щелочным, создавая, казалось бы, идеальную среду для улавливания и длительного хранения углекислого газа. форме карбонатных материалов (процесс, известный как карбонизация). Несмотря на способность бетона естественным образом поглощать углекислый газ из атмосферы, когда эти реакции обычно происходят (в основном внутри затвердевшего бетона), они могут как ослабить материал, так и снизить внутреннюю щелочность, что ускоряет коррозию арматурного стержня. Эти процессы в конечном итоге разрушают несущую способность здания и негативно влияют на его долгосрочные механические характеристики. Эти медленные реакции карбонизации на поздних стадиях, которые могут происходить в течение десятилетий, уже давно признаны нежелательными путями, ускоряющими разрушение бетона.

«Проблема этих реакций карбонизации после отверждения, — говорит Масик, — заключается в том, что вы нарушаете структуру и химический состав цементирующей матрицы, которая очень эффективно предотвращает коррозию стали, которая приводит к ее деградации». Новые пути секвестрации углекислого газа, обнаруженные исследователями, основаны на очень раннем образовании карбонатов во время смешивания и заливки бетона до того, как материал схватится, что может в значительной степени устранить пагубные последствия поглощения углекислого газа после затвердевания материала.

Ключом к новому процессу является добавление одного простого и недорогого ингредиента: бикарбоната натрия, также известного как пищевая сода. В ходе лабораторных испытаний с использованием замены бикарбоната натрия команда продемонстрировала, что до 15% общего количества углекислого газа, связанного с производством цемента, может быть минерализовано на этих ранних стадиях — достаточно, чтобы потенциально существенно повлиять на глобальный углеродный след материала.